单晶硅平收尾方法及制备方法与流程

本发明涉及单晶硅生产的技术领域，尤其涉及一种单晶硅平收尾方法及制备方法。

背景技术：

硅材料是目前世界上最主要的元素半导体材料，在半导体工业中广泛应用，是电子工业的基础材料。其中单晶硅材料是目前世界上热工制备的晶格最完整、体积最大、纯度最高的晶体材料。

当前制备单晶硅主要有两种技术，根据晶体生长方式不同，可以分为直拉单晶硅和区熔单晶硅。直拉单晶硅是利用切氏法(又称直拉法)制备，称为CZ单晶硅；区熔单晶硅是利用悬浮区域熔炼的方法制备的。这两种单晶硅具有不用的特性和不同的器件应用领域，其中，直拉单晶硅主要应用于微电子集成电路和太阳能电池方面，是单晶硅的主体。对于太阳能电池用直拉单晶硅，位错是主要的晶体缺陷。由于位错可能吸引其他杂质原子在位错位置沉淀，而且还可能直接影响p-n结的性能，这些都会导致晶体硅和器件性能的下降，降低太阳能电池的光电转换效率。

位错是一种线缺陷，它是晶体在外力作用下，部分晶体在一定的晶面上沿一定的晶体方向产生滑移，其晶体移动部位和非移动部位的边界就是位错。

直拉法是运用熔体的冷凝结晶驱动原理，在固液界面处，由于熔体温度下降，将产生由液态转换成固态的相变化。直拉法生长单晶硅的制备步骤一般包括：多晶硅的装料和熔化、种晶、缩颈、放肩、等颈和收尾。单晶硅生长完成时，如果晶体硅突然脱离硅熔体液面，其中断处将会受到很大的热应力，超过硅中位错产生的临界应力时，导致大量位错在界面处产生，同时位错向上部单晶部分反向延伸，延伸的距离一般能达到一个直径的长度，这将大大降低单晶硅产品的合格率，在长期的实践中发现，直拉单晶如何减少尾部位错返延伸，是提高单晶成品率的关键之一。

为了减少单晶硅收尾过程中位错的反延，目前采取的措施为在单晶硅等径生长工序结束后，进行完整收尾工序收尾。采用该方式收尾，需要逐渐缩小晶体硅的直径，直至很小的一点，然后脱离液面，完成该收尾工序需要耗用时间约6.5小时，在收尾过程中需要耗用大量的电力、氩气、纯水和人力等资源，大大增加了生产成本；此外，该完整收尾工序需要占用熔硅料约6kg，该部分硅料形成的单晶棒尾部，由于其外观形状不能成为合格产品，需将其切除并循环利用，降低了单炉的合格率。

技术实现要素：

针对现有技术的上述问题，本发明提供一种单晶硅平收尾方法及制备方法，该方法可以排除因收尾后位错的产生而造成等径合格品的反切，减少收尾工序中熔硅的耗用量，缩短收尾周期，提高单晶合格品长度和重量，提高合格率。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种单晶硅平收尾方法，该方法包括如下步骤：

步骤S01：关闭自动温度控制系统，将坩埚的运动上升速度降为零；

步骤S02：手动升温10～20℃，晶体的提拉速度降低至0.1～0.4mm/min，保持晶体继续生长20～30min，此时晶体与固液界面接触的一端由凹面生长为平面；

步骤S03：关闭晶体提拉速度的自动控制系统，手动调节晶体的提拉速度，使得晶体的提拉速度小于0.1mm/min，保持晶体继续生长20～30min，此时晶体与固液界面接触的一端由平面生长为凸面；

步骤S04：将坩埚一次性下降20～50mm，使得晶体脱离坩埚内熔硅液面，然后降低晶体转速和坩埚转速；

步骤S05：晶体降温，继续提拉晶体获得产品。

优选的，在上述所述单晶硅平收尾方法中，所述步骤S02中，一次性手动升温15℃。

优选的，在上述所述单晶硅平收尾方法中，所述步骤S02中，所述晶体的提拉速度降低至0.35mm/min。

优选的，在上述所述单晶硅平收尾方法中，所述步骤S02中，所述晶体的生长时间为25min。

优选的，在上述所述单晶硅平收尾方法中，所述步骤S03中，所述晶体的提拉速度降低至0.02mm/min或0.03mm/min。

优选的，在上述所述单晶硅平收尾方法中，所述步骤S04中，所述晶体转速和坩埚转速降低至1～3转/min。

进一步的，在上述所述单晶硅平收尾方法中，所述步骤S05中，通过手动调节加热装置的加热功率使得晶体温度降低，具体步骤如下：将所述加热器的加热功率设为50kW，保持10min；将所述加热器的加热功率设为30kW，保持10min；将所述加热器的加热功率设为0kW。

优选的，在上述所述单晶硅平收尾方法中，所述步骤S05中，所述晶体以6mm/min的速度上升20～50min。

进一步的，所述收尾工序耗用时间为1～3小时。

本发明另一方面还提供一种单晶硅的制备方法，所述制备方法包括多晶硅的装料和熔化、种晶、缩颈、放肩、等径生长和收尾，所述收尾为上述任意一项所述的单晶硅的平收尾方法。

本发明的一种单晶硅平收尾方法，具有如下优点：

在单晶硅平收尾方法中，单晶硅等径生长结束后，取消了原工艺的完整收尾工序，采用平收尾方法，通过调节晶体的提拉速度和坩埚的温度，使得晶体前端凹面生长成凸面，然后一次性快速下降坩埚，将晶体与熔液提断。该方法可以排除因位错的产生而造成等径合格品的反切；此外，由于本方法得到的成品，其尾部长度减小，一方面减少了收尾工序中熔硅的耗用量，提高了单晶硅合格品的长度和重量，进而提高了成品的合格率，另一方面节约用时，将收尾周期用时缩短至1.5小时左右，减少了收尾工序的能耗，降低了成本。

本发明还提供一种单晶硅的制备方法，由于采用了本发明的单晶硅平收尾方法，缩短了单晶硅的制备周期，提高了产品的合格率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明实施例的一种单晶硅平收尾方法的流程框图；

图2是本发明实施例的一种单晶硅制备方法的流程框图；

图3是现有技术收尾方法的单晶硅尾部效果图；

图4是本发明的一种单晶硅平收尾方法的单晶硅尾部效果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示为本发明实施例的一种单晶硅平收尾方法的流程框图。该平收尾方法包括以下步骤：

步骤S01：关闭自动温度控制系统，将坩埚的运动上升速度降为零；

单晶硅生长过程中，随着晶体长度的增加，石英坩埚内熔硅料减少，导致液面位置会逐渐下降，按照直拉法制备单晶硅工艺的要求，液面位置必须处于热场中一小段合适的成晶区域内。因此，在等径生长阶段必须通过调整坩埚上升速度来补偿熔硅减少所造成的液面下降。现有单晶硅生长装置的控制系统利用温度和晶体的提拉速度对晶体直径的耦合作用，实现晶体的稳定生长控制。本实施例在进入收尾阶段时，为了实现收尾过程中温度和晶体提拉速度的人为可控，将单晶硅生长装置的自动温度控制系统关闭，此外，还包括停止坩埚上升。

步骤S02：手动升温10～20℃，晶体的提拉速度降低至0.1～0.4mm/min，保持晶体继续生长20～30min，此时晶体与固液界面接触的一端由凹面生长为平面；

直拉晶体生长过程是一个在控制系统作用下液态熔硅不断向固态晶体转变的过程，从液相转换为固相的分界面被称为固液界面。晶体生长的过程实际上就是固液界面向液相不断推进的过程。在这一过程中，原子由杂乱无序转变为整齐有序的排列。这种转变不是一蹴而就的，而是通过固液界面的推进缓慢而有序的完成。一般来说固液界面形状分为三类，分别为平面的固液界面、凸向熔体以及凹向熔体。当固液界面形状不是平面状时，在凝固过程中会使晶体内产生热应力。当热应力小于弹性应力时，这些热应力会在晶体的冷却过程中消失掉。若固液界面形状太凸或太凹时，热应力大于弹性力，于是晶体内就会产生位错而失去晶格的完整性。正常生产过程中，在等径生长阶段完成时，晶体与固液界面接触的一端一般为凹面。

本步骤中，手动调节加热装置的加热功率使得坩埚中熔硅液面温度升高10～20℃，该温度的升高不但保证了石英坩埚中熔硅处于熔融状态，同时由于液面温度升高，固液界面生长单晶体的速度减慢，导致晶体直径减小，为了保持晶体的稳定生长，晶体的提拉速度控制系统会自动调节晶体的提拉速度，使得晶体的提拉速度降低至0.1～0.4mm/min。保持晶体在上述提拉速度下继续生长20～30min，此时晶体与固液界面接触的一端由凹面逐渐生长为平面。本实施例中，优选的，手动调节加热装置的加热功率使得坩埚中熔硅液面温度一次性升高15℃，晶体的提拉速度降低至0.35mm/min。优选的，保持晶体缓慢生长25min。

步骤S03：关闭晶体提拉速度的自动控制系统，手动调节晶体的提拉速度，使得晶体的提拉速度小于0.1mm/min，保持晶体继续生长20～30min，此时晶体与固液界面接触的一端由平面生长为凸面；

为了人为更直接的调节晶体的提拉速度，本步骤将晶体提拉速度的自动控制系统关闭，通过手动调节晶体的提拉速度，使得晶体的提拉速度小于0.1mm/min，优选的将晶体的提拉速度降低至0.02mm/min或0.03mm/min，保持晶体继续生长20～30min，此时晶体与固液界面接触的一端由平面逐步生长为凸面；

步骤S04：将坩埚一次性下降20～50mm，使得晶体脱离坩埚内熔硅液面，然后降低晶体转速和坩埚转速；

当晶体缓慢生长结束，并且晶体的前沿由最初的凹面生长为凸面后，将坩埚一次性下降20～50mm，优选的将坩埚一次性下降30mm，使得晶体快速脱离液面。由于此时坩埚内还有少量剩余的熔硅料，为了防止过快的转速将熔硅溅出，降低坩埚转速以及降低晶体转速。优选的，本实施例中将晶体转速和坩埚转速降低至1～3转/min。

步骤S05：，晶体降温，继续提拉晶体获得产品。

为了防止脱离熔硅液面后的晶体，因温差太大而产生位错，手动调节加热器的加热功率，使得晶体温度缓慢降低。本实施例中，优选的，采用如下步骤降低晶体温度：将加热器的加热功率设为50kW，保持10min；将加热器的加热功率设为30kW，保持10min；将加热器的加热功率设为0kW。

当晶体温度降低到一定温度后，以6mm/min的速度提拉晶体20～50min，从而获得单晶硅产品。

图3是现有技术收尾方法的单晶硅尾部效果图，图4是本发明的一种单晶硅平收尾方法的单晶硅尾部效果图。通过图3和图4的效果图对比，可以看出本发明的平收尾方法所获得的单晶硅产品尾部长度远小于现有技术收尾方法所获得的单晶硅产品尾部长度。本发明的平收尾方法与现有技术的完整收尾方法相比，所得的晶体尾部长度约为60mm，尾部用料约为2kg，收尾周期缩短至1～3小时，大幅缩减了尾部的重量，提高了硅料的利用率，提高了单晶硅合格品的长度和重量，进而提高了成品的合格率；此外，由于收尾过程中需要消耗电、保护气、纯水以及人力等资源，收尾周期的缩短进一步还减少了能耗，降低了成本，增加了效益。

实施例2

本发明还提供了一种单晶硅的制备方法，如图2所示，该方法包括多晶硅的装料和熔化、种晶、缩颈、放肩、等径生长和收尾，此处收尾为本实施例前述的任意一项单晶硅的平收尾方法。

步骤S21：多晶硅的装料和熔化，将粉碎至适当大小的高纯多晶硅放入石英坩埚内，然后将石英坩埚放入单晶炉中的石墨坩埚中，将单晶炉抽成一定的真快使之维持在一定的压力范围内；充入一定流量和压力的保护气，加热升温，使得硅材料熔化。

步骤S22：种晶，将单晶籽晶固定在旋转的籽晶轴上，然后将籽晶缓缓下降浸入到熔硅中，使得籽晶头部首先少量溶解，然后和熔硅形成一个固液界面；随后，籽晶逐步上升，与籽晶相连并离开固液界面的硅熔料温度降低，形成单晶硅。

步骤S23：缩颈，种晶完成后，籽晶快速提拉向上，晶体生长速度加快，新结晶的单晶硅的直径比籽晶小。

步骤S24：放肩，缩颈完成后，晶体的生长速度大大放慢，此时晶体硅的直径急速增加，从籽晶的直径增大到所需的直径，形成一个近180°的夹角。

步骤S25：等径生长，当放肩达到预定晶体直径时，晶体生长速度加快，并保持几乎固定的速度，通过调整拉速和温度，使晶体保持固定的直径生长。

步骤S26：平收尾，晶体的收尾是为了防止位错的出现及反延。等径生长结束后，通过调节晶体的拉速和温度

与传统的单晶硅制备工艺相比较，本发明的一种单晶硅的制备方法大大缩短了收尾周期，进而缩短了整个单晶硅的生成周期，提高了生产效率以及产品的合格率。

上述说明已经充分揭露了本发明的具体实施方式。需要指出的是，熟悉该领域的技术人员对本发明的具体实施方式所做的任何改动均不脱离本发明的权利要求书的范围。相应地，本发明的权利要求的范围也并不仅仅局限于前述具体实施方式。